Analyse großer, verkoppelter Systeme mit Methoden der komplexen Netzwerke

Dipl.-Ing. Andreas Geiger

Januar 2010 - Dezember 2014

Land Hessen

Moderne Infrastruktureinrichtungen sowie Anlagen der Fertigungs- und Produktionsindustrie müssen eine ganze Reihe von Anforderungen erfüllen, um ihre Konkurrenzfähigkeit sowie Nachhaltigkeit auf lange Sicht hin zu erhalten und zu steigern. Hierzu zählen unter anderem eine erhöhte Flexibilität und Wandlungsfähigkeit, die Selbstoptimierung sowie die Arbeit in Kreisläufen. Im Bereich der Infrastruktureinrichtungen sind beispielhaft die Änderungen in der Struktur der elektrischen Energieversorgung zu nennen, welche sich zurzeit vollziehen. Die bisherige klare Trennung zwischen Stromerzeugern und Verbrauchern löst sich auf, weshalb das, bisher statisch ausgelegte, Verteilnetz nun einen flexiblen Betrieb ermöglich muss.

Bei der Entwicklung von Automatisierungslösungen für die genannten Systeme müssen erweiterte Systemgrenzen, eine zunehmenden Vernetzung und insgesamt die Zunahme der Komplexität berücksichtigt werden. Hinzu kommt ein immer schnellerer Wandel der Systeme durch kontinuierliche Anpassungen und Änderungen. Für die Entwicklung von Automatisierungssystemen ist es daher von Interesse, Aussagen über Eigenschaften des zu kontrollierenden Systems bereits im Vorfeld treffen zu können. Komplizierte Systeme werden in der Regelungstechnik bereits auf ihre Eigenschaften hin untersucht, indem eine Dekomposition in kleinere, handhabbare Teilsysteme erfolgt. Dabei werden jedoch die Verknüpfungen zwischen den Teilsystemen nur teilweise, vereinfacht oder erst gar nicht berücksichtigt. Außerdem ist es zum Treffen von Aussagen über das Gesamtsystemverhalten erforderlich den  Informations-, Energie- und Materialfluss sowie alle weiteren Verkopplungen gemeinsam zu berücksichtigen. Große und komplexe Systeme verlangen nach einer Analysemethode, die mit Hilfe abstrahierter Modelle die strukturellen Eigenschaften des gesamten Systems untersucht, deren Robustheit gegenüber Änderungen erfasst und somit die Anpassung der vorhandenen Reglerstrukturen erleichtert. Dabei sollen gezielt die durch die Vernetzung auftretenden Eigenschaften untersucht werden, um somit die bereits vorhandenen Ansätze zur Automatisierung zu ergänzen.

Eine Möglichkeit zur abstrahierten Systembeschreibung mit Blick auf die Vernetzung bieten die komplexen Netzwerke und die von ihnen verwendeten Methoden der Graphentheorie. Diese werden bereits in der Soziologie, den Wirtschaftswissenschaften und in der Biologie verwendet, um die Verknüpfungen zwischen Elementen zu beschreiben und die damit verbundenen Eigenschaften zu untersuchen. Im Rahmen des Projekts sollen nun diese Methoden auf den Bereich der Automatisierungs- und Regelungstechnik übertragen und auf vernetzte Anlagen angewandt werden. Somit soll eine Untersuchung des Gesamtsystems in Bezug auf das Systemverhalten, welches wesentlich durch die Verknüpfungsstruktur beeinflust wird, ermöglicht werden.